JP2009068768A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能を向上させるとともにコンパクトな水冷媒熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の熱交換器は、水が流通する大径管１２と、冷媒が流通する小径管１１と、内表面が小径管１１の外表面と密着してなる中径管１３とを備え、中径管１３の外表面の一部と大径管１２の内表面の一部が接することにより、冷媒の熱が中径管１３を経由して大径管１１に伝わるため、中径管１３の外表面からの放熱だけでなく、大径管１２の内表面からも放熱するため、伝熱面積の向上を図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関連し、特に水と冷媒とを熱交換する水冷媒熱交換器に関するものである。

図７は、従来の水冷媒熱交換器の断面図である。図７に示すように、従来、小径管２０１の外表面と中径管２０２の内表面とが密着して冷媒管を構成しており、冷媒管を大径管２０３に内挿して水冷媒熱交換器を構成している。また中径管２０２の内表面には、中径管２０２の延伸方向に沿って溝が形成されており、冷媒の漏洩を検知することができる。

そして、小径管２０１の内側を高温の冷媒が流通し、中径管２０２と大径管２０３との間には低温水が流通し、高温の冷媒から低温水に熱が放熱され高温水が生成される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４７５６９号公報

しかしながら、従来の水冷媒熱交換器は図７に示すように、冷媒の放熱面は中径管の外表面しか確保されておらず、低温水を高温水にする熱量を確保するためには、水冷媒熱交換器を長さ方向に伸ばして低温水を高温水にするだけの熱量を確保しなければならなかった。そのため、ヒートポンプ給湯機の一部分を構成する水冷媒熱交換器が大きくなってしまい、重量が重くなってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換性能を向上させるとともにコンパクトな水冷媒熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するため、本発明の熱交換器は、水が流通する大径管と、冷媒が流通する小径管と、内表面が前記小径管の外表面と密着してなる中径管とを備え、前記中径管の外表面の一部と前記大径管の内表面の一部が接することにより、冷媒の熱が中径管を経由して大径管に伝わるため、中径管の外表面からの放熱だけでなく、大径管の内表面からも放熱するため、伝熱面積の向上を図ることができる。

本発明は、熱交換性能を向上させるとともにコンパクトな水冷媒熱交換器を提供することができる。

第１の発明の熱交換器は、水が流通する大径管と、冷媒が流通する小径管と、内表面が前記小径管の外表面と密着してなる中径管とを備え、前記中径管の外表面の一部と前記大径管の内表面の一部が接することにより、冷媒の熱が中径管を経由して大径管に伝わるため、中径管の外表面からの放熱だけでなく、大径管の内表面からも放熱するため、伝熱面積の向上を図ることができる。

第２の発明の熱交換器は、特に第１の発明において、冷媒と水とを対向流にするとともに、水出口付近の大径管の内径は、水入口付近の大径管の内径よりも大きいことにより、水と冷媒とが効率よく熱交換を行うとともに、水出口付近の高温水部で析出しやすいカル
シウムスケールやマグネシウムスケール等が堆積しても水の流通抵抗の増大を抑制することができる。

第３の発明の熱交換器は、特に第１または第２の発明において、中径管の外表面に凹部を設けたことにより、水の乱流を促進し、高効率化を図ることができる。

第４の発明の熱交換器は、特に第１〜第３の発明において、小径管と中径管から構成される冷媒管を複数備え、前記複数本の冷媒管を互いにねじり合わせたことにより、大径管内を流れる水に洗海流を与えることができ、乱流を促進し、高効率化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における熱交換器の製造工程の一部を示した図である。図１において、まず鼓形状の金型１４を２つ密着させ、金型１４の略中央部にある２つのくびれ部１６により略円形状の隙間を形成する。

図２は、本実施の形態における縮管前の熱交換器の断面図を示すものである。図２において、熱交換器は小径管１１の外表面と中径管１３の内表面とが密着しており、中径管１３の内表面には冷媒漏洩を検知するための漏洩検知溝１８が形成されている。そして、小径管１１と中径管１３で形成した冷媒管を、大径管１２に内挿し、大径管１２の縮管を行う前のため、大径管１２と中径管１３は接しておらず、中径管１３と大径管１２とが最近接する隙間１７が存在している。

そして図２に示す縮管前の熱交換器を、２つの金型１４で形成した隙間に通し、金型１４を図１に示す矢印の方向に回転させることによって大径管１２を縮管させている。この時、２つの金型１４で形成される略円形状の隙間は、縮管前の大径管１２の直径よりも少し狭い隙間となっており、大径管１２を略円形状の隙間に通すことで縮管している。

図３は、本実施の形態における縮管後の熱交換器の断面図を示すものである。図３に示すように、図２では中径管１３と大径管１２との間に隙間１７が存在していたが、大径管１２の縮管後は、隙間１７がなくなっており、大径管１２と中径管１３とが接している。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

本実施の形態の熱交換器は、小径管１１内に高温の冷媒（例えば、二酸化炭素）を流通させ、大径管１２と中径管１３との間に低温水を流通させており、冷媒から水に放熱することで高温水を生成している。そして中径管１３の内表面には、冷媒の漏洩検知を行うための漏洩検知溝１８が形成されており、例えば、小径管１１の管壁に腐食などにより小径管１１が貫通した場合、漏洩検知溝１８を通って冷媒を外部へ放出することができるため、冷媒と水が混合することを防止できる。

また、大径管１２を縮管することで、中径管１３と接する構成にしており、小径管１１内に高温の冷媒が通ることによって、冷媒の熱が中径管１３から水へ放熱されるとともに、大径管１２との接点より、大径管１２自体にも熱が放熱されるため、大径管１２の内表面からも水へ放熱される。つまり図７に示すように従来の熱交換器よりも放熱面が拡大され、効率よく水を加熱することができる。

さらに、従来の熱交換器よりも、大径管１２を縮管することで、水の流路面積が狭くなり、水の流速が増大するため、熱伝達率の向上を図ることが出来る。

また、図４は熱交換器の上面図、図５は熱交換器の側面図である。図４、５において、高温側の冷媒は、冷媒入口１０８から流入し、小径管１１内を通り、冷媒出口１０９から流出する。また、低温の水は水入口１０６から流入し、大径管１２、大径管１４、大径管１５を通り、水出口１０７より流出する。大径管１４の内径は大径管１２よりも大きく、さらに、大径管１５の内径は大径管１４よりも大きい。

低温の水は、水入口１０６側から流入し、高温の冷媒の熱を吸熱しながら高温になり、水出口１０７から流出する。ここで、水にカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどが溶け込んでいる場合、水温が高くなると、カルシウムイオンやマグネシウムイオンはある温度以上で飽和状態となり、高音域ではスケールとして析出する。その析出物が、大径管の内面や中径管の外表面に付着し、水の流れる流路を閉塞することになり、管内の圧力損し増大する。ここで、水出口側の流路である大径管１４、１５の部分の内径を水入口側の大径管１２より大きくすることで、多少内表面にスケールが付着しても内径が大きいため閉塞しにくく、圧力損失の増大を抑制できる。

以上のように、大径管１２を縮管して、中径管１３との接点を作ることで、中径管１３から大径管１２自体に熱が伝わり、大径管１２の内表面から水へ放熱することができるため効率の良い加熱を行うことができる。また、大径管１２を縮管することによって、水流路を縮小し、水の流速を増大させて熱伝達率の向上を図ることができる。さらに、熱伝達率が向上することによって、従来よりも熱交換器の長さ方向に短くすることができ、コンパクトな熱交換器を提供することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に対して冷媒管の形状が相違し、その他については実施の形態１と同じであるので、説明を省略する。

実施の形態２における冷媒管の形状を図６に示す。図６において、中径管２１の内部に小径管２２が配置され、中径管２１と小径管２２は一体となった二重管を示す。中径管２４の表面には凹部２３を形成し、中径管２４の表面に形成した凹部２３により、小径管２２の内面に、凸部２５を形成することになる。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

中径管２１の外部を流通する低温側の流体は、中径管２１の外面に設けた凹部２３により、外面近傍で流れが乱され、これにより、中径管２１の外面近傍より離れたところの流れも乱され、低温流体は混合しながら流通することになり、ほぼ均一の温度で流通することになる。これにより、低温側での伝熱促進が図れる。また、小径管２２の内面には、凸部２５が形成されており、これにより乱流促進が図れ、伝熱促進が図れるというものである。

以上のように、本発明に係る熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほかに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の製造工程の概略図 同実施の形態における縮管前の熱交換器の断面図 同実施の形態における縮管後の熱交換器の断面図 同実施の形態における熱交換器の上面図 同実施の形態における熱交換器の側面図 本発明の実施の形態２における冷媒管の断面図 従来の熱交換器の断面図

符号の説明

１１ 小径管
１２ 大径管
１３ 中径管
１４ 金型
２１ 中径管
２２ 小径管
１０６ 水入口管
１０７ 水出口管
１０８ 冷媒入口管
１０９ 冷媒出口管

Claims (4)

1. 水が流通する大径管と、冷媒が流通する小径管と、内表面が前記小径管の外表面と密着してなる中径管とを備え、前記中径管の外表面の一部と前記大径管の内表面の一部が接することを特徴とする熱交換器。
2. 冷媒と水とを対向流にするとともに、水出口付近の大径管の内径は、水入口付近の大径管の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 中径管の外表面に凹部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 小径管と中径管から構成される冷媒管を複数備え、前記複数本の冷媒管を互いにねじり合わせたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。

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